[论文解读] The CARMENES search for exoplanets around M dwarfs -- Planet occurrence rates from a subsample of 71 stars

S. Sabotta, Martin Schlecker+26 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 103被引用 4

一句话总结

本研究分析了CARMENES巡天中71颗M型矮星的径向速度数据，通过注入-检索实验校正探测偏差，测量系外行星的出现率。研究发现，低质量行星（1–10 M⊕，P ≤ 100 d）的出现率极高，达到每颗恒星1.32颗，尤其在晚期M型矮星的短周期轨道上更为显著，而巨行星的数量远少于类太阳恒星系统。

ABSTRACT

The CARMENES exoplanet survey of M dwarfs has obtained more than 18 000 spectra of 329 nearby M dwarfs over the past five years as part of its guaranteed time observations (GTO) program. We determine planet occurrence rates with the 71 stars from the GTO program for which we have more than 50 observations. We use injection-and-retrieval experiments on the radial-velocity (RV) time series to measure detection probabilities. We include 27 planets in 21 planetary systems in our analysis. We find 0.06+0.04-0.03 giant planets (100 M_Earth < M_pl sin i < 1000 M_Earth) per star in periods of up to 1000 d, but due to a selection bias this number could be up to a factor of five lower in the whole 329-star sample. The upper limit for hot Jupiters (orbital period of less than 10 d) is 0.03 planets per star, while the occurrence rate of planets with intermediate masses (10 M_Earth < M_pl sin i < 100 M_Earth) is 0.18+0.07-0.05 planets per star. Less massive planets with 1 M_Earth < M_pl sin i < 10 M_Earth are very abundant, with an estimated rate of 1.32+0.33-0.31 planets per star for periods of up to 100 d. When considering only late M dwarfs with masses M_star < 0.34 M_sol, planets more massive than 10 M_Earth become rare. Instead, low-mass planets with periods shorter than 10 d are significantly overabundant. For orbital periods shorter than 100 d, our results confirm the known stellar mass dependences from the Kepler survey: M dwarfs host fewer giant planets and at least two times more planets with M_pl sin i < 10 M_Earth than G-type stars. In contrast to previous results, planets around our sample of very low-mass stars have a higher occurrence rate in short-period orbits of less than 10 d. Our results demonstrate the need to take into account host star masses in planet formation models.

研究动机与目标

• 使用来自71颗代表性恒星的高精度径向速度数据，测定M型矮星周围的行星出现率。
• 通过注入-检索实验校正径向速度巡天中的探测偏差，以估计真实行星的探测概率。
• 研究行星出现率如何随行星质量与轨道周期变化，特别是与宿主恒星质量的关系。
• 检验低质量M型矮星系统中的行星形成效率是否与类太阳恒星存在显著差异。
• 评估恒星质量对行星质量与轨道周期分布的影响，尤其针对低质量行星。

提出的方法

• 在径向速度时间序列中进行注入-检索实验，估算不同质量与轨道周期下合成行星的探测概率。
• 使用71颗M型矮星的样本，每颗恒星拥有超过50次径向速度观测，以确保信噪比足够高，可靠确定探测极限。
• 将27颗行星分布在21个行星系统中纳入分析，以校准探测效率与出现率估计。
• 应用统计方法推导出现率及其置信区间，同时考虑选择效应与测量不确定性。
• 按恒星质量分离结果，特别关注M⋆ < 0.34 M☉的晚期M型矮星，以评估质量相关的趋势。
• 将结果与开普勒巡天的发现进行比较，以验证一致性并识别行星群体分布的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在修正探测偏差后，M型矮星周围轨道周期不超过100天的低质量行星（1–10 M⊕）的真实出现率是多少？
• RQ2 M型矮星系统中巨行星（100–1000 M⊕）的出现率如何随轨道周期变化？是否显著低于类太阳恒星系统？
• RQ3 热木星（P < 10 d）在M型矮星周围是否显著少于类太阳恒星？其出现率的上限是多少？
• RQ4 根据开普勒数据的推测，极低质量M型矮星（M⋆ < 0.34 M☉）的短周期轨道（P < 10 d）中行星出现率是否显著上升？
• RQ5 观测到的行星出现趋势如何挑战或支持当前的行星形成模型，特别是核心吸积模型？

主要发现

• 轨道周期≤100天的低质量行星（1–10 M⊕）出现率为每颗恒星1.32⁺⁰.³³₋₀.³¹颗，表明M型矮星周围此类行星极为丰富。
• 中等质量行星（10–100 M⊕）的出现率为每颗恒星0.18⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁵颗，且在较长轨道周期处频率更高。
• 巨行星（100–1000 M⊕）在1000天内的出现率为每颗恒星0.06⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰³颗，显著低于类太阳恒星系统。
• 对于M⋆ < 0.34 M☉的晚期M型矮星，短周期轨道（P < 10 d）中的低质量行星显著过量，表明此类系统中行星形成效率更高。
• 当前样本中的探测偏差可能导致在完整的329颗恒星CARMENES样本中，巨行星出现率被高估最多达五倍。
• 结果证实，M型矮星在100天内拥有至少两倍于类太阳恒星的低质量行星（Mₚ sin i < 10 M⊕），并挑战了关于短周期轨道行星分布的既有假设。